《STM32從零開始學習歷程》@EnzoReventon

I2C理論部分——協議層

相關資料：

I2C物理層介紹
I2C固件庫介紹
STM32的I2C特性及架構介紹

參考資料：
[野火EmbedFire]《STM32庫開發實戰指南——基于野火霸天虎開發板》
[正點原子]STM32F4開發指南-庫函數版本_V1.2
[ST]《STM32F4xx中文參考手冊》

I2C的協議規定了通訊的起始和停止信號、數據有效性、響應、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環節。
起始和停止信號指用什么來表示通訊的開始和結束。
數據有效性指在時鐘線(SCL)某個電平的時候對數據線(SDA)進行數據采樣。

1. I2C基本讀寫過程

I2C寫過程：

上圖中，打斜杠的部分是指數據由主機傳輸至從機；不打斜杠部分為數據由從機傳輸至主機。
S表示傳輸開始信號。
SLAVE_ADDRESS表示從機地址。
A或者非A表示應答（ACK）或者非應答（NACK）信號。
舉個例子：老師要告訴小明的數學成績。
首先老師說：“我要開始告訴某個同學的成績了。”————這一步被抽象成I2C通訊中的S，表示傳輸開始信號。
接著，老師點名小明?！@一步被抽象成I2C通訊中的SLAVE ADDRESS，表示從機地址，就是說老師需要吧成績告訴小明，小明是一個對象，當然也就是一個地址。
老師說：“我要告訴你成績”————這一步被抽象成I2C通訊中的R/W，在這個場景中，老師是“主機”，要告訴小明（從機）他的成績，因此是由主機寫如從機。
這時候，小明回答：“好的?！北硎拘∶饕呀洔蕚浜媒邮绽蠋熂磳R報的成績。————這一步被抽象成A，從機應答。這樣可以保證數據發送與接收的準確性。
老師說：“小明你的數學成績為99分。” ————DATE
小明說：“好的老師！” ————A
老師說：“小明你的語文成績為102分?！?————DATE
小明說：“好的老師！” ————A
老師說：“小明你的語文成績為102分?！?————DATE
…………小明沒有應答。有可能是他來不及記錄了。 ————非A
老師就停止報成績。 ————P
老師報成績是當著全班的面報的，大家都可以聽到，老師是主機，各位同學們就是從機，老師向大家報小明的成績，其實就是廣播的概念，但是只能有小明響應。

以此類推讀過程也是一樣的。

比如說，老師讓小明報數學和語文的成績。
老師說：“我要同學給我報一下成績?！?————S，開始標志。
老師點名小明。 ————SLAVE ADDRESS，從機地址。
老師說：“請你報你的成績?！?————R/W 讀還是寫，相對于從機而言。
小明說：“好的?！?————A 白色底的A，從機響應。
小明說：“數學：99。” ————DATE，從機發送數據。
老師說：“好，下一個?！?————A 條紋底的A，主機響應。
小明說：“語文：102。” ————DATE，從機發送數據。
老師說：“好的，報完了請坐?！?————非A，數據接收完畢。
結束?！狿，停止標志。

I2C復合讀寫過程：

一般而言，I2C復合模式第一次通訊是告訴從機讀寫地址，第二次則是讀寫的實際內容。

詳細過程：

• S 表示由主機的I2C 接口產生的傳輸起始信號(S)，這時連接到I2C 總線上的所有從機都會接收到這個信號。
• 起始信號產生后，所有從機就開始等待主機緊接下來廣播的從機地址信號(SLAVE_ADDRESS)。在I2C總線上，每個設備的地址都是唯一的，當主機廣播的地址與某個設備地址相同時，這個設備就被選中了，沒被選中的設備將會忽略之后的數據信號。根據I2C 協議，這個從機地址可以是7 位或10 位。
• 在地址位之后，是傳輸方向的選擇位，該位為0 時，表示后面的數據傳輸方向是由主機傳輸至從機，即主機向從機寫數據。該位為1 時，則相反，即主機由從機讀數據。
• 從機接收到匹配的地址后，主機或從機會返回一個應答(ACK) 或非應答(NACK) 信號，只有接收到應答信號后，主機才能繼續發送或接收數據。
• 若配置的方向傳輸位為“寫數據”方向，即第一幅圖的情況，廣播完地址，接收到應答信號后，主機開始正式向從機傳輸數據(DATA)，數據包的大小為8 位，主機每發送完一個字節數據，都要等待從機的應答信號(ACK)，重復這個過程，可以向從機傳輸N 個數據，這個N 沒有大小限制。當數據傳輸結束時，主機向從機發送一個停止傳輸信號§，表示不再傳輸數據。
• 若配置的方向傳輸位為“讀數據”方向，即第二幅圖的情況，廣播完地址，接收到應答信號后，從機開始向主機返回數據(DATA)，數據包大小也為8 位，從機每發送完一個數據，都會等待主機的應答信號(ACK)，重復這個過程，可以返回N 個數據，這個N 也沒有大小限制。當主機希望停止接收數據時，就向從機返回一個非應答信號(NACK)，則從機自動停止數據傳輸。
• 除了基本的讀寫，I2C 通訊更常用的是復合格式，即第三幅圖的情況，該傳輸過程有兩次起始信號(S)。一般在第一次傳輸中，主機通過SLAVE_ADDRESS 尋找到從設備后，發送一段“數據”，這段數據通常用于表示從設備內部的寄存器或存儲器地址(注意區分它與SLAVE_ADDRESS 的區別)；在第二次的傳輸中，對該地址的內容進行讀或寫。也就是說，第一次通訊是告訴從機讀寫地址，第二次則是讀寫的實際內容。

1.1 I2C通訊的起始和停止信號

• 起始(S) 和停止§ 信號是兩種特殊的狀態。
• 當SCL 線是高電平時SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始。
• 當SCL 是高電平時SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。起始和停止信號一般由主機產生。
  

1.2 I2C通訊的數據有效性

• I2C 使用SDA 信號線來傳輸數據，使用SCL 信號線進行數據同步。
• SDA 數據線在SCL 的每個時鐘周期傳輸一位數據。
• 傳輸時，SCL 為高電平的時候SDA 表示的數據有效，即此時的SDA 為高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。
• 當SCL 為低電平時，SDA的數據無效，一般在這個時候SDA 進行電平切換，為下一次表示數據做好準備。

1.3 I2C通訊地址及數據方向

• I2C 總線上的每個設備都有自己的獨立地址，主機發起通訊時，通過SDA 信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS) 來查找從機。
• I2C 協議規定設備地址可以是7 位或10 位，實際中7 位的地址應用比較廣泛。
• 緊跟設備地址的一個數據位用來表示數據傳輸方向，它是數據方向位(R/)，第8位或第11 位。
• 數據方向位為“1”時表示主機由從機讀數據，該位為“0”時表示主機向從機寫數據。
  
• 讀數據方向時，主機會釋放對SDA 信號線的控制，由從機控制SDA 信號線，主機接收信號。
• 寫數據方向時，SDA 由主機控制，從機接收信號。

1.4 響應

• I2C 的數據和地址傳輸都帶響應。響應包括 “應答(ACK)” 和 “非應答(NACK)” 兩種信號。
• 作為數據接收端時，當設備(無論主從機) 接收到I2C 傳輸的一個字節數據或地址后，若希望對方繼續發送數據，則需要向對方發送 “應答(ACK)” 信號，發送方會繼續發送下一個數據。
• 若接收端希望結束數據傳輸，則向對方發送 “非應答(NACK)” 信號，發送方接收到該信號后會產生一個停止信號，結束信號傳輸。
  
• 傳輸時主機產生時鐘，在第9個時鐘時，數據發送端會釋放SDA的控制權，由數據接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應答信號(NACK)，低電平表示應答信號(ACK)。

總結

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